xkralj07
stud.feec.vutbr.cz
Jan Král, UREL, FEKT, VUT Brno
xkralj07stud.feec.vutbr.cz
Projekt se zabává řešením elektronického zařízení pro kontrolu olověného akumulátoru. Olověné akumulátory jsou citlivé na stav, kdy dochází k jejich nadměrnému podbití. Výskyt těchto stavů u olověného akumulátoru vede ke snížení životnosti a kapacity akumulátoru a při dlouhododém podbití může být akumulátor znovu nepoužitelný. Hlavní funkcí kontroléru je hlídat napětí olověného akumulátoru a při poklesu pod kritickou úroveň (pro 6článkové tj. 12 V akumulátory se běžně uvažuje hodnota 10,5 V) odpojit zátěž od akumulátoru. Druhou důležitou funkci, kterou kontrolér má, je možnost nabíjení akumulátoru připojením síťového adaptéru (s napětím v rozsahu 16 až 26 V). Jako hlavním řídicí obvode lze s výhodou použít mikrokontrolér, potom lze uvažovat i další funkce jako počítaní nabíjecích cyklů, indikace zbývající energie v akumulátoru apod.
Pro realizaci bylo nutné vytvořit vlastní DPS, protože žádný dostupný kit neodpovídal požadavkům. Blokové schéma požadovaného zapojení je na obr. 1.
Hlavním řídicím obvodem celého zařízení je mikrokontrolér Attiny 48 z rodiny AVR od firmy Atmel. Tento mikrokontrolér byl vybrán, protože má v sobě integrovaný teploměr, který lze použít pro hrubé měření okolní teploty, a zároveň má tzv. PicoPower režim, při kterém je jeho odběr pouhých 100 pA. Zároveň poskytuje dostatečné množství pinů pro připojení externích prvků.
Síťovým napájením v blokovém schématu se rozumí napájecí konektor pro síťový adaptér s výstupním stejnosměrným napětím v rozsahu od 16 do 26 V a vstupní ochrany. Zařízení je na vstupu ze sítě chráněno tavnou SMD pojistkou za níž je jednosměrná tranzil dioda, která chrání elektroniku proti přepolování vstupního napětí a proti příliš velkému vstupnímu napětí.
Blok nabíjení Pb-akumulátoru představuje step-down converter s nastavitelným výstupním napětím a proudovým omezením (nastavitelné pomocí potencioemtrů). Bylo uvažováno o možnosti realizace spínaného zdroje řízeného přímo mikrokontrolérem, ale od této varianty bylo kvůli bezpečnosti nakonec upuštěno. Výstupní napětí spínaného zdroj je povolováno a nastavováno signály mikrokontroléru, který zároveň získává ze spínaného zdroje informace o limitaci výstupního proudu. Nastavení výstupního napětí mikrokontrolérem se rozumí pouze snížení vystupního napětí o 0,5 V proti nastavené hodnotě potenciometrem pro zvláštní případy (např. vyšší teplota okolí apod.).
Pb-akumulátor a zařízení jsou opět chráněny tavnými pojistkami proti nadměrným proudům a jednosměrnými tranzil diodami proti přepolování. Mikrokontrolér může přes A/D převodník zjišťovat napětí na akumulátoru a proud (velikost a směr) akumulátorem. Z napětí akumulátoru je napájeno celé zařízení přes lineární 5V stabilizátor, znázorněný blokem napájení systému.
Zátěž je k akumulátoru připojovaná přes nízkoztrátový MOSFET typu N (zátěž je trvale připojena ke kladnému pólu akumulátoru a je uzemňována tranzistorem). Součástí řízení zátěže jsou ochrané prvky tranzistoru, rychlá tavná pojistka (klasická trubičková - pro snadnou výměnu) proti příliš velkým proudům. Bylo uvažováno o použití obnovitelné pojistky (tzv. polyswitch) místo trubičkové, ale z důvodu příliš dlouhé reakční doby obnovitelné pojistky, musela být použita pojistka klasická - obnovitelná pojistka by totiž reagovala až po všech tavných SMD pojistkách a to rozhodně není vhodné. Oba póly zátěže jsou opět chráněny proti nedovoleným napětím tranzil diodami.
Uživatelský vstup je realizován dvěmi tlačítky, jedno další tlačítko je použito pro možnost resetu procesoru v případě neočekávaného chování. Jedno z tlačítek slouží pro zapínání displeje, který je z důvodu šetření energie akumulátoru aktivní pouze ve chvíli, kdy se na něj uživatel chce podívat. Na LCD se zobrazují informace o napětí akumulátoru a všechny ostatní informace pro uživatele. Druhé tlačítko potom slouží k zapínání a vypíná zátěže. Toto tlačítko je podsvětlené LEDkou, která indikuje zapnutí zátěže. Opět kvůli šetření energie akumulátoru nesvítí LED nepřetržitě, ale je spinaná s malou střídou (přibližně 100 ms svítí a 2 s nesvítí).
Zjednodušený vývojový diagram programu hlavní smyčky je znázorněn na obr. 2.
Po startu procesoru se provede inicializace všech periferií, nastaví se časovač TIMER 1 pro čítání času ve standardním módu s předděličkou osmi (overflow přerušení nastává tedy s frekvencí přibližně 1,9 Hz) a nastaví se vstupní a výstupní piny.
Na začátku hlavní smyčky se procesor uvádí do spánku. Probouzen je vždy některou událostí přerušení. Pokud je procesor probuzen událostí přetečení časovače 1, které nastává přibližně dvakrát do sekundy, povolí se A/D převodník a jeho multiplexer se nastaví na snímání napětí akumulátoru. Při této události probuzení se dále obsluhuje LEDka indikující zapnutý výstup (v případě, že je výstup zapnutý), po uplynutí přednastaveného času se vypne displej a také se počítá čas nabíjení akumulátoru konstantním napětím. Po uplynutí 1 hodiny nabíjení konstantním napětím se nabíječka vypíná - olověný akumulátor by neměl být trvale nabíjen. Po uspání procesoru se automaticky spouští A/D převod.
Pokud byl procesor probuzen přerušením dokončení A/D převodu, prochází se stavový automat, který přepíná multiplexer pro měření nejprve napětí akumulátoru, potom vstupního napětí nabíjecího obvodu a pokud je povoleno nabíjení, zjišťuje se také zda je limitován výstupní proud. V případě, že výstupní proud nabíječky již není limitován, začíná se odpočítávat výše zmíněná hodina nabíjení konstantním napětím.
Dvě uživatelská tlačítka jsou připojena k pinům externího přerušení. Jedno z tlačítek zapíná displej a druhé tlačítko zapíná a vypíná zátěž. Proces obsluhy externího přerušení je znázorněn na diagramu na obr. 3.
Při vyhodnocování stisku tlačítka je potřeba ošetřit zákmity, které na tlačítku vznikají. Proto je nejprve zakázáno přerušení příslušného tlačítka a nastaven tzv. mrtvý interval, v kterém tlačítko nereaguje. Tento interval je realizován přerušením časovače 1 shodou s OCR1A registrem. Obsluha přerušení od shody s OCR1A je znázorněna na obr. 4. Při konci mrtvého intervalu dochází ke změně sesitivity externího přerušení. Podle sensitivity se vyhodnocuje v obsluze externího přerušení zda bylo tlačítko zmáčknuto; nebo puštěno.
Akcí na zmáčknutí prvního tlačítka je změna stavu zátěže (ze zapnutého stavu přechází do stavu vypnutého a opačně). Na zmáčknutí druhého tlačítka se reaguje zapnutím displeje na definovanou dobu (aktuálně nastaveno asi na 4 s).
Měření zbývající energie v akumulátoru lze provádět nejméně dvěma způsoby. Jedním ze způsobů je po připojení zátěže zjistit s jakou rychlostí klesá napětí na akumulátoru v závislosti na vybíjecím proudu. Z těchto dvou hodnot se určí směrnice vybíjecí křivky a podle vypočítané směrnice se potom snaží odhadnout, jaká je zbývající kapacita akumulátoru. Toto měření se používá především v případech, kdy je k dispozici zcela neznámý stav akumulátoru. V zařízení však lze výhodně využít informace o nabíjení akumulátoru a sledování celého vybíjecího procesu (pokud zanedbáme pomalé samovybíjení). Potom lze zbývající energii v akumulátoru (při předpokladu úplného předchozího nabití) spočítat jako rozdíl kapacity akumulátoru a časového integrálu vybíjecího proudu. Výpočet je zjednodušen, protože kapacita akumulátoru se udává pro definovaný konstantní proud rovný 0,05 C. Pro větší proud je kapacita akumulátoru menší a pro menší naopak větší. Pro přesný výpočet by bylo nutné započítat ztrátu kapacity akumulátoru s délkou jeho života. Tento parametr by se dal odvodit na základě předchozích nabíjecích a vybíjecích charakteristik. Obě metody lze kombinovat a tím dosáhnout větší přesnoti měření zbývající energie v akumulátoru.
Na následujících obrázcích můžete shlédnout horní a spodní stranu reálně vyrobené DPS, osazenou desku v krabičce bez horního krytu a celé zařízení včetně krytu a displeje.
Zařízení funguje dle požadavků. Měření zbývající energie akumulátoru však v programu zatím nebylo implementováno, bude doplněno v nejbližší možné době v podobě popsané výše. V průběhu realizace bylo zjištěno několik faktů, které nebyly při návrhu vzaty v úvahu. Původně byl navržen klasický 5V stabilizátor 78L05, problém s tímto stabilizátorem je však ten, že jeho vlastní spotřeba je 5 mA, a to je příliš mnoho pro aplikaci bateriově napájenou. Naštěstí lze tento stabilizátor vyměnit za pinově kompatibilní, který má vlastní spotřebu menší než 50 uA. Dále bylo nutné nad rozsah návrhu doplnit operační zesilovače o spínání jejich napájecího napětí procesorem, protože jejich klidový odběr je 2 mA a vzhledem k tomu, že procesor potřebuje znát proud jenom jednou za 0,5 s, je zbytečné, aby byly napájeny stále.
Při programování bylo zjištěno, že pro podobný projekt by bylo vhodnější použít procesor typu Atmega kvůli možnosti krokování přímo v procesoru přes JTAG, což by ušetřilo hodně času při ladění programu. Cena takového procesoru by byla u jednoho kusu zařízení zcela únosná a procesor by navíc poskytoval mnohem více prostředků. V případě přísnějších požadavků na spotřebu, by bylo nutné použít napájení procesoru nižším napětím (ideálně 1,8 V), potom by ale bylo potřeba navíc řešit překlad úrovní pro některé periferie (např. LCD).
[1] Atmel Datasheet ATtiny48/88 [online]. Vydáno: 04/2011, [cit. 06/2013]. Dostupné z: http://www.atmel.com/Images/doc8008.pdf.